Peltier-hatás: az elektromos áram varázslatos hatása

A 19. század eleje. A fizika és az elektrotechnika arany kora. 1834-ben a francia órák és a természettudós, Jean-Charles Peltier csepp vizet csepegtettek a bizmut és az antimon elektródok közé, majd egy áramot vezettek az áramkörön. Csodálkozva látta, hogy a csepp hirtelen megfagyott.

Az elektromos áramnak a vezetékekre gyakorolt ​​hőhatása ismert volt, de az ellenkező hatás a varázslathoz hasonló. Megértheti Peltier érzéseit: ez a jelenség a fizika két különböző területének - a termodinamika és az elektromosság - kereszteződésénél ma csodát érez.

A hűtési probléma nem volt olyan akut, mint manapság. Ezért a Peltier-effektusnak csaknem két évszázad után, amikor megjelentek olyan elektronikus eszközök, amelyek működtetéséhez miniatűr hűtési rendszerekre volt szükség. méltóság Peltier hűtőelemek kis méretek, mozgó alkatrészek hiánya, a kaszkádcsatlakozások lehetősége nagy hőmérsékleti különbségek elérésére.

Ezen felül a Peltier-hatás visszafordítható: amikor az áram polaritása megváltozik a modulon keresztül, a hűtést felváltja a fűtés, így könnyen megvalósítható a pontos hőmérsékleti karbantartás - termosztátok - rendszerei. A Peltier elemek (modulok) hátránya az alacsony hatékonyságú, amelyhez az észlelhető hőmérsékleti különbség eléréséhez nagy áramértékeket kell összeadni. A bonyolultságot a hő eltávolítása jelenti a hűtött síkkal ellentétes lemezről.

De az első dolgok először. Először próbáljuk megvizsgálni a megfigyelt jelenségért felelős fizikai folyamatokat. Anélkül, hogy belemerülnénk a matematikai számítások szakadékába, megpróbáljuk megérteni ennek az érdekes fizikai jelenségnek a természetét az „ujjain”.

Mivel a hőmérsékleti jelenségekről beszélünk, a fizikusok a matematikai leírás megkönnyítése érdekében az anyag atomrácsának rezgéseit helyettesítik egy bizonyos gázzal, amely részecskékből - fononból áll.

A fonongáz hőmérséklete a környezeti hőmérséklettől és a fém tulajdonságaitól függ. Ezután bármely fém elektron- és fonongázok keveréke a termodinamikai egyensúlyban. Ha két különféle fém érintkezik külső mező hiányában, egy „forróbb” elektrongáz behatol egy „hidegebb” zónába, és így mindenki számára ismert kontaktpotenciál-különbséget hoz létre.

Amikor a potenciális különbséget alkalmazzuk az átmenetre, azaz amikor az áram két fém határán keresztül áramlik, az elektronok energiát vesznek az egyik fém fononjairól, és átjuttatják azt egy másik fonon gázjába. A polaritás változásával az energiaátadás, ami azt jelenti, hogy a fűtés és a hűtés megváltoztatja a jelet.

A félvezetőkben az elektronok és a „lyukak” felelősek az energiaátadásért, ám a hőátadás mechanizmusa és a hőmérséklet-különbség megjelenése megmarad. A hőmérsékleti különbség addig növekszik, amíg a nagy energiájú elektronok kimerülnek. Hőmérsékleti egyensúly beáll. Ez a leírás modern képe Peltier hatás.

Ebből egyértelmű, hogy Peltier elem teljesítménye az anyagpár kiválasztásától, az áramszilárdságtól és a forró övezetből történő hőelvezetés sebességétől függ. A modern anyagok (általában félvezetők) esetében a hatékonyság 5-8%.

És most a Peltier-effektus gyakorlati alkalmazásáról. Ennek növelése érdekében az egyes hőelemek (két különböző anyag csomópontjai) tíz és száz elemből álló csoportokba vannak összeállítva. Az ilyen modulok fő célja kis tárgyak vagy mikroáramkörök hűtése.

Termoelektromos hűtőmodul

A Peltier-effektuson alapuló modulokat széles körben használják az éjjellátó készülékekben, amelyek infravörös vevőinek mátrixát tartalmazzák.A töltőkhöz kapcsolt mikroáramkörök (CCD), amelyeket manapság a digitális fényképezőgépekben is használnak, mélyhűtést igényelnek, hogy képeket rögzítsenek az infravörös régióban. A Peltier modulok hűtik a távcsövekben lévő infravörös érzékelőket, aktív lézerelemeket a sugárzási frekvencia stabilizálására, kristály oszcillátorok pontos időrendszerekben. De ezek mind katonai és speciális alkalmazások.

A közelmúltban a Peltier modulok alkalmazást találtak a háztartási termékekben. Főként az autótechnikában: légkondicionálók, hordozható hűtőszekrények, vízhűtők.

Példa a Peltier-effektus gyakorlati alkalmazására

A modulok legérdekesebb és legígéretesebb alkalmazása a számítógépes technológia. A nagy teljesítményű mikroprocesszorok, processzorok és videokártya-chipek sok hőt bocsátanak ki. A hűtéshez nagysebességű ventilátorokat használnak, amelyek jelentős akusztikus zajt keltenek. A Peltier modulok kombinált hűtési rendszerek részeként történő felhasználása kiküszöböli a zajt jelentős hőelvonással.

kompakt USBhűtő Peltier modulok segítségével

És végül logikus kérdés: a Peltier modulok felváltják a háztartási kompressziós hűtőszekrények hagyományos hűtőrendszereit? Ma hatékonyság (alacsony hatékonyság) és az ár szempontjából veszteséges. A nagy teljesítményű modulok költsége továbbra is meglehetősen magas.

De a technológia és az anyagtudomány nem áll fenn. Lehetetlen kizárni az új, olcsóbb, nagy hatékonyságú és magas Peltier-együtthatóval rendelkező anyagok megjelenésének lehetőségét. Már ma kutatólaboratóriumok jelentéseik vannak a nanokarbon anyagok elképesztő tulajdonságairól, amelyek radikálisan megváltoztathatják a helyzetet a hatékony hűtőrendszerekkel.

Jelentések voltak a clastrates - a szerkezetükben hidrátokhoz hasonló szilárd oldatok - magas hőelektromos értékéről. Amikor ezek az anyagok elhagyják a kutatólaboratóriumokat, a korlátlan élettartamú, teljesen csendes hűtők felváltják a szokásos otthoni modelleket.

Ui egyó a legtöbb érdekes jellemzői hőelektromos technológia ez az ő az képes nem csak használni elektromos energia hőt és hideget kap, de ugyanakkor köszönöm neki WMSde indítsa el a fordított folyamatot, és például nyerjen villamos energiát a hőből.  

Példa erre szerezzen villamos energiát hőből a hőelektromos modul használatával (termoelektromos generátor) nézd meg ezt video:

Mit gondol erről? Várakozás a megjegyzéseire!